Exercices Physique Chimie

Utilisation de l’oscilloscope pour visualiser une tension

Physique : Utilisation de l'Oscilloscope pour Visualiser une Tension

Utilisation de l'oscilloscope pour visualiser une tension

Contexte : "Voir" l'Électricité

Un oscilloscopeInstrument de mesure qui permet de visualiser un signal électrique, généralement sous la forme d'une courbe de la tension en fonction du temps. est un appareil qui permet de visualiser l'évolution d'une tension électrique au cours du temps. Il dessine un graphique, appelé oscillogrammeGraphique affiché sur l'écran d'un oscilloscope, représentant la tension en fonction du temps., qui nous renseigne sur les caractéristiques principales d'une tension : sa forme (alternative, continue), sa valeur maximale (UmaxTension maximale (ou amplitude) d'un signal. Elle se mesure verticalement sur l'oscillogramme, du centre à un sommet.), sa périodeDurée du plus petit motif qui se répète dans un signal périodique. Unité : seconde (s). (T) et sa fréquenceNombre de périodes (ou de motifs) par seconde. Elle se calcule par f = 1/T. Unité : Hertz (Hz). (f). Cet exercice a pour but d'apprendre à lire un oscillogramme et à en déduire ces grandeurs.

Remarque Pédagogique : Savoir utiliser un oscilloscope est une compétence fondamentale en électricité. Cela permet de "traduire" un phénomène invisible, le courant électrique, en une image compréhensible et mesurable. C'est la base du diagnostic dans de nombreux domaines électroniques.

Objectifs Pédagogiques

  • Identifier les réglages clés d'un oscilloscope : sensibilité verticale et base de temps.
  • Mesurer le nombre de divisions correspondant à l'amplitude et à la période sur un oscillogramme.
  • Calculer la tension maximale (Umax) d'un signal.
  • Calculer la période (T) et la fréquence (f) d'un signal.
  • Comprendre la relation inverse entre la période et la fréquence.

Données de l'étude

On visualise la tension aux bornes d'un générateur sur l'écran d'un oscilloscope. L'oscillogramme obtenu est représenté ci-dessous.

Oscillogramme
Y X

Réglages de l'oscilloscope :

  • Sensibilité verticale (Sv) : \(2 \, \text{V/div}\)
  • Base de temps (Sh) : \(5 \, \text{ms/div}\)

Questions à traiter

  1. Déterminer la tension maximale \(U_{max}\) du signal.
  2. Déterminer la période \(T\) du signal.
  3. Calculer la fréquence \(f\) du signal.

Correction : Utilisation de l'oscilloscope pour visualiser une tension

Question 1 : Tension Maximale \(U_{max}\)

Principe :
Y

La tension maximale se mesure verticalement, entre l'axe central (0V) et le sommet de la courbe. On compte le nombre de divisions verticales (Y) et on le multiplie par la sensibilité verticale (Sv).

Remarque Pédagogique :

Point Clé : La mesure doit partir du centre de l'écran (la ligne horizontale sans signal) et non du bas de l'écran. C'est l'amplitude du signal par rapport à sa valeur moyenne (ici, 0V).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ U_{max} = Y \times S_v \]
Donnée(s) :
  • Nombre de divisions verticales \(Y = 1.5 \, \text{div}\)
  • Sensibilité verticale \(S_v = 2 \, \text{V/div}\)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} U_{max} &= 1.5 \, \text{div} \times 2 \, \text{V/div} \\ &= 3 \, \text{V} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Ne pas confondre Umax et Ueff : L'oscilloscope mesure Umax. La tension efficace (Ueff), mesurée par un voltmètre en mode AC, est liée à Umax par la formule \(U_{eff} = U_{max} / \sqrt{2}\) pour un signal sinusoïdal, mais ce n'est pas ce qui est demandé ici.

Le saviez-vous ?

L'amplitude d'un son, qui détermine son volume, est analogue à la tension maximale d'un signal électrique. Un son plus fort a une plus grande amplitude, tout comme un signal électrique "plus fort" a une plus grande tension maximale.

FAQ en rapport avec la question :
Et si le signal n'est pas centré sur la ligne du milieu ?

Si le signal est décalé vers le haut ou le bas (ce qu'on appelle une "composante continue"), la mesure de Umax reste la même : on mesure l'écart entre le point le plus haut de la vague et le "milieu" de cette vague, pas la ligne centrale de l'écran.

Résultat : La tension maximale du signal est \(U_{max} = 3 \, \text{V}\).

Question 2 : Période T

Principe :
X

La période est la durée d'un motif complet du signal. On la mesure horizontalement. On compte le nombre de divisions horizontales (X) pour un motif et on le multiplie par la base de temps (Sh).

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Pour une mesure plus précise, il est souvent plus facile de mesurer la longueur de plusieurs périodes (2 ou 3) puis de diviser le résultat par ce nombre. Ici, l'oscillogramme montre exactement une période sur 4 divisions.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ T = X \times S_h \]
Donnée(s) :
  • Nombre de divisions horizontales \(X = 4 \, \text{div}\)
  • Base de temps \(S_h = 5 \, \text{ms/div}\)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} T &= 4 \, \text{div} \times 5 \, \text{ms/div} \\ &= 20 \, \text{ms} \end{aligned} \]
\[ T = 20 \, \text{ms} = 0.020 \, \text{s} \]
Points de vigilance :

Conversion d'unités : La période doit être exprimée en secondes (s) pour le calcul de la fréquence. Il faut donc convertir les millisecondes (ms) en secondes. Rappel : \(1 \, \text{s} = 1000 \, \text{ms}\).

Le saviez-vous ?

Les premières horloges à pendule utilisaient le principe de la période. La durée d'une oscillation du pendule (sa période) était conçue pour être très précise (par exemple, 1 seconde), permettant ainsi de mesurer le temps qui passe.

FAQ en rapport avec la question :
Peut-on mesurer la période entre deux sommets ?

Oui, absolument. La période est la durée d'un motif, peu importe où l'on commence à mesurer. On peut mesurer la distance horizontale entre deux sommets consécutifs, deux creux consécutifs, ou deux points où la tension passe par zéro en allant dans le même sens (par exemple, en montant).

Résultat : La période du signal est \(T = 20 \, \text{ms}\) (soit \(0.02 \, \text{s}\)).

Question 3 : Fréquence f

Principe :
f = 1 / T T ↓ f ↑

La fréquence est le nombre de fois que le motif se répète en une seconde. Elle est l'inverse de la période. L'unité de la fréquence est le Hertz (Hz).

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Période et fréquence sont deux façons de décrire la même caractéristique d'un signal : sa "rapidité". Une période courte (le signal varie vite) signifie une fréquence élevée. Une période longue (le signal varie lentement) signifie une fréquence basse.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ f = \frac{1}{T} \]
Donnée(s) :
  • Période \(T = 0.02 \, \text{s}\)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} f &= \frac{1}{0.02 \, \text{s}} \\ &= 50 \, \text{Hz} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Unité de la période : Le piège classique est d'utiliser la période en millisecondes (ms) dans la formule. Le calcul \(1/20\) donnerait 0.05 Hz, ce qui est faux. Il faut IMPÉRATIVEMENT utiliser la période en secondes (s) pour obtenir une fréquence en Hertz (Hz).

Le saviez-vous ?

La tension du secteur en France et en Europe a une fréquence de 50 Hz. Cela signifie que le courant change de sens 100 fois par seconde ! L'oscillogramme de cet exercice correspond donc à celui de la tension d'une prise électrique (avec une tension maximale bien plus faible, bien sûr).

FAQ en rapport avec la question :
Pourquoi l'unité est-elle le Hertz ?

Le Hertz (Hz) a été nommé en l'honneur du physicien allemand Heinrich Hertz, qui a été le premier à prouver l'existence des ondes électromagnétiques. Un Hertz correspond à un cycle (ou une période) par seconde.

Résultat : La fréquence du signal est de 50 Hz.

Simulation Interactive : Réglez l'Oscilloscope

Un signal de 4V et 25Hz est envoyé à l'oscilloscope. Modifiez les réglages de sensibilité et de base de temps pour visualiser le signal correctement et vérifier vos calculs.

Réglages de l'Oscilloscope
Lecture sur l'écran
Divisions Verticales (Y)
Divisions Horizontales (X)
Visualisation

Le Saviez-Vous ?

L'oscilloscope a un cousin très célèbre : l'électrocardiogramme (ECG) ! Un ECG est essentiellement un oscilloscope spécialisé qui mesure et affiche les faibles tensions électriques générées par le cœur. La forme des "vagues" sur un ECG renseigne les médecins sur la santé cardiaque d'un patient.

Foire Aux Questions (FAQ)

À quoi sert le bouton "AC/DC/GND" ?

C'est le mode de couplage. GND (Ground/Masse) connecte l'entrée à 0V, ce qui permet de positionner la ligne de référence (le "zéro") au centre de l'écran. DC (Direct Current) laisse passer toute la tension, y compris sa composante continue. AC (Alternating Current) bloque la composante continue et ne montre que la partie alternative du signal, ce qui est utile pour étudier de petites variations sur une tension continue élevée.

Que se passe-t-il si le signal "sort" de l'écran ?

Si le signal est trop haut et sort de l'écran, cela signifie que la sensibilité verticale (en V/div) est trop petite pour la tension mesurée. Il faut l'augmenter (par exemple, passer de 1V/div à 2V/div) pour "dézoomer" verticalement. Si le signal est trop étalé ou trop serré horizontalement, il faut ajuster la base de temps (en ms/div).

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Pour observer plus de motifs d'un signal à l'écran, il faut :

2. Un signal a une période de 10 ms. Quelle est sa fréquence ?

Glossaire

Oscilloscope
Instrument de mesure qui permet de visualiser un signal électrique, généralement sous la forme d'une courbe de la tension en fonction du temps.
Division (div)
Unité de la grille de l'écran de l'oscilloscope, servant de référence pour les mesures.
Sensibilité Verticale (Sv)
Réglage qui détermine la valeur en Volts (V) d'une division verticale. S'exprime en V/div.
Base de Temps (Sh)
Réglage qui détermine la durée en secondes (s) ou millisecondes (ms) d'une division horizontale. S'exprime en s/div ou ms/div.
Tension Maximale (Umax)
Aussi appelée amplitude. C'est la valeur maximale atteinte par la tension. Se mesure du centre (0V) au sommet de la courbe.
Période (T)
Durée du plus petit motif d'un signal qui se répète à l'identique. Son unité est la seconde (s).
Fréquence (f)
Nombre de périodes (ou de motifs) par seconde. Elle se calcule avec la formule \(f = 1/T\) et son unité est le Hertz (Hz).
Utilisation de l'oscilloscope pour visualiser une tension

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